Qu'est-ce que les panneaux solaires à couches minces

1. Qu'est-ce que les panneaux solaires à couches minces ?

Contrairement aux cellules solaires de première génération constituées de silicium monocristallin ou multicristallin, les panneaux solaires à couches minces sont fabriqués à l'aide d'une ou plusieurs couches d'éléments photovoltaïques sur une surface composée d'une variété de verre, de plastique ou de métal pour convertir la lumière du soleil en électricité. Et les plus couramment utilisés pour la technologie solaire à couches minces sont le tellurure de cadmium (CdTe), le séléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CIGS), le silicium amorphe (a-Si) et l'arséniure de gallium (GaAs).

2 La structure des panneaux solaires à couches minces

Les panneaux solaires à couches minces sont constitués d'un grand nombre de cellules solaires à couches minces et utilisent l'énergie lumineuse (photons) du Soleil pour produire de l'électricité grâce à l'effet photovoltaïque. Il comprend également des couches, une feuille arrière et une boîte de jonction, qui fonctionnent toutes ensemble pour assurer le fonctionnement normal des panneaux solaires.

Qu'est-ce que les cellules solaires à couches minces ?

Les cellules solaires à couche mince sont des dispositifs électroniques qui convertissent la lumière du soleil en énergie électrique par effet photovoltaïque. Les cellules à couche mince ont tendance à utiliser beaucoup moins de matériaux : la zone active de la cellule n'a généralement qu'une épaisseur de 1 à 10 micromètres. En outre, les cellules à couches minces peuvent généralement être fabriquées selon un processus sur une grande surface, qui peut être un processus de production automatisé et continu.

De plus, les panneaux solaires à couches minces utilisent pour fonctionner une fine couche d’oxyde conducteur transparent, tel que l’oxyde d’étain. Tandis que les cellules à couches minces sont constituées de nombreux petits grains cristallins de matériaux semi-conducteurs pour mieux créer le champ électrique avec une interface, appelée hétérojonction. En général, ce type de dispositifs à couches minces peut être réalisé sous la forme d'une seule unité, c'est-à-dire de manière monolithique, avec un dépôt couche après couche séquentielle sur un substrat, y compris le dépôt d'un revêtement antireflet et d'un oxyde conducteur transparent.

Qu'est-ce que les couches ?

Habituellement, les panneaux solaires à couches minces comportent une couche très fine (moins de 0,1 micron) sur le dessus, appelée couche « fenêtre » pour absorber l'énergie lumineuse provenant uniquement de l'extrémité à haute énergie du spectre. Il doit être suffisamment fin et avoir une bande interdite suffisamment large (2,8 eV ou plus) pour laisser passer toute la lumière disponible à travers l'interface (hétérojonction) jusqu'à la couche absorbante. La couche absorbante située sous la fenêtre, généralement dopée de type P, est dotée d'une capacité d'absorption élevée (capacité à absorber les photons) pour un courant élevé et d'une bande interdite appropriée pour fournir une bonne tension.

Qu'est-ce qu'une feuille de fond ?

En tant que polymère ou combinaison de polymères avec divers additifs, la feuille de fond est conçue pour constituer une barrière entre les cellules solaires et l'environnement extérieur. D’où nous pouvons voir que la feuille arrière est un élément essentiel de la durabilité, de l’efficacité et de la longévité d’un panneau solaire.

Qu'est-ce qu'une boîte de jonction ?

En tant qu'enceinte électrique utilisée pour abriter et protéger les connexions électriques, la boîte de jonction est spécialement conçue pour fournir un environnement sûr et sécurisé pour les connexions électriques afin d'éviter tout contact accidentel avec des fils sous tension et de simplifier la maintenance ou les réparations futures. Habituellement, une boîte de jonction photovoltaïque est fixée à l’arrière du panneau solaire et sert d’interface de sortie. Les connexions externes pour la plupart des modules photovoltaïques utilisent des connecteurs MC4 pour faciliter des connexions faciles et résistantes aux intempéries avec le reste du système. Une interface d'alimentation USB peut également être utilisée.

3 L'histoire du développement des panneaux solaires à couches minces

L'histoire des panneaux solaires à couches minces remonte aux années 1970, lorsque les chercheurs ont commencé leurs premières explorations sur l'utilisation de couches minces (a-Si) de semi-conducteurs pour exploiter l'énergie solaire, à cette époque l'intérêt pour la technologie des couches minces à des fins commerciales. et les applications aérospatiales favorisent le développement de dispositifs solaires à couches minces de silicium amorphe.

Dans les années 1980, les progrès technologiques ont facilité l’expansion des matériaux à couches minces existants vers de nouveaux matériaux, tels que le tellurure de cadmium (CdTe) et le séléniure de cuivre, d’indium et de gallium (CIGS), qui présentent des rendements de conversion plus élevés et des coûts de production inférieurs.

Les années 1990 et 2000 ont été marquées par des avancées significatives dans l’exploration de nouveaux matériaux solaires de troisième génération, des matériaux susceptibles de dépasser les limites d’efficacité théoriques des matériaux solides traditionnels. De nouveaux produits tels que des cellules solaires sensibilisées aux colorants et des cellules solaires à points quantiques ont été développés.

Dans les années 2010 et au début des années 2020, l’innovation dans la technologie solaire à couches minces s’est traduite par des efforts visant à étendre la technologie solaire de troisième génération à de nouvelles applications et à réduire les coûts de production. En 2004, le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) a atteint un rendement record mondial de 19,9 % pour un module à couches minces CIGS. En 2022, des cellules solaires organiques flexibles à couches minces ont été intégrées dans le tissu.

De nos jours, les cellules solaires organiques flexibles à couches minces intégrées dans les fabrications en font un meilleur choix que les panneaux de silicium traditionnels. Et la technologie des couches minces représente environ 19 % du total des États-Unis. part de marché la même année, dont 30 % de la production à l’échelle utilitaire.

4.Les types de panneaux solaires

Il existe plusieurs types de matériaux utilisés pour fabriquer des cellules solaires à couches minces. En fonction de leurs matières premières, ils peuvent être divisés en quatre types. 

l Les panneaux à couche mince en tellurure de cadmium (CdTe) sont un type de panneau solaire qui utilise une fine couche de tellurure de cadmium déposée sur un matériau de substrat, tel que le verre ou l'acier inoxydable, comme matériau semi-conducteur. Non seulement légers et faciles à installer, ils produisent également une production d’énergie élevée dans des conditions de faible luminosité, ce qui signifie qu’ils peuvent produire de l’électricité même par temps nuageux ou couvert. On estime que les panneaux solaires à couches minces de CdTe ont atteint un rendement de 19 % dans des conditions de test standard (STC), mais que les cellules solaires simples ont atteint un rendement de 22,1 %. Cependant, la toxicité du cadmium suscite certaines inquiétudes, car il s'agit d'un métal lourd qui peut causer des dommages à l'environnement s'il n'est pas éliminé correctement.

l Les panneaux à couche mince en cuivre, indium et gallium (CIGS) sont fabriqués en plaçant une couche d'électrode en molybdène (Mo) sur le substrat par un processus de pulvérisation cathodique. Par rapport à d’autres technologies photovoltaïques, elles ont un rendement élevé et peuvent atteindre un rendement théorique de 33 % à l’avenir. De plus, ils sont moins sujets aux fissures ou à la casse et sont faciles à utiliser. Cependant, malgré ces avantages, le coût est relativement plus élevé que celui des autres technologies, ce qui peut freiner leur développement ultérieur.

l Les panneaux à couches minces de silicium amorphe (a-Si) sont fabriqués en traitant des plaques de verre ou des substrats flexibles, ainsi qu'une configuration p-i-n ou n-i-p. Les avantages des panneaux à couches minces a-Si incluent leur flexibilité et leur construction légère, ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans des applications portables, telles que le camping ou l'alimentation de capteurs à distance. Cependant, étant donné que le verre conducteur de ces panneaux est coûteux et que le processus est lent, son prix est relativement élevé, soit près de 0,69 $/W.

l Les panneaux à couche mince en arséniure de gallium (GaAs) sont plus complexes que les cellules solaires à couche mince ordinaires du processus de fabrication. Il convient de mentionner qu’ils atteignent des rendements élevés allant jusqu’à 39,2 % et qu’ils sont plus résistants à la chaleur et à l’humidité. Néanmoins, le temps de fabrication, le coût des matériaux et les matériaux à forte croissance en font un choix moins viable.

5.Les applications des panneaux solaires à couches minces

En tant que classe émergente d'alternatives au photovoltaïque au silicium, les panneaux solaires à couches minces sont principalement utilisés dans les domaines suivants.

l Photovoltaïque intégré au bâtiment (BIPV)

Étant donné que les panneaux photovoltaïques à couches minces peuvent être jusqu'à 90 % plus légers que les panneaux en silicium, une application qui commence à devenir très populaire dans le monde entier est le BIPV, où les panneaux solaires sont fixés aux tuiles du toit, aux fenêtres, aux structures faibles, etc. En outre,  certains types de films photovoltaïques à couches minces peuvent être rendus semi-transparents, ce qui contribue à préserver l'esthétique des maisons et des bâtiments tout en permettant la production d'énergie solaire.

lApplications spatiales

En raison des avantages de leur légèreté, de leur haute efficacité, d'une large plage de températures de fonctionnement et même de leur résistance aux dommages causés par les radiations, les panneaux solaires à couches minces, en particulier les panneaux solaires CIGS et GaAs, sont idéaux pour les applications spatiales.

l Véhicules et applications marines

Une application courante des panneaux solaires à couches minces est l'installation de modules photovoltaïques flexibles sur les toits des véhicules (en particulier les camping-cars ou les bus) et sur les ponts des bateaux et autres navires, qui peuvent être utilisés pour alimenter l'électricité tout en préservant l'esthétique.

lApplications portables

Sa portabilité et sa taille lui ont permis un développement durable dans le secteur des petits appareils électroniques auto-alimentés et de l'Internet des objets (IoT), qui devrait connaître une croissance substantielle dans les années à venir. Et grâce à ses progrès, il pourrait être davantage appliqué dans des endroits éloignés avec des panneaux solaires pliables, des banques d’énergie solaire, des ordinateurs portables alimentés à l’énergie solaire, etc.

6. Les tendances de développement des panneaux solaires à couches minces

Avec l'acceptation croissante de l'énergie solaire dans le monde, la mise en œuvre de restrictions énergétiques strictes et les efforts croissants du gouvernement pour intégrer des sources vertes dans le réseau, les panneaux solaires à couches minces devraient atteindre environ 27,11 milliards de dollars d'ici 2030, avec un TCAC remarquable de 8,29 % de 2022 à 2030 L'augmentation est motivée par ses avantages et R&D, puisqu'ils sont extrêmement économiques et faciles à créer, ils utilisent moins de matériaux et produisent moins de déchets. Et le R&D pour améliorer l’endurance et les performances des cellules solaires créera également de nouvelles opportunités de croissance du marché.

Cependant, les opportunités s’accompagnent de défis. Les niveaux élevés de concurrence, l’évolution de l’environnement réglementaire ainsi que la disponibilité de financements et de ressources limitées signifient qu’à l’heure actuelle, ils pourraient ne pas être en mesure de conquérir une part importante du marché mondial.

7 L'analyse des investissements dans les panneaux solaires à couches minces

Le marché des cellules solaires à couches minces semble se développer ces dernières années, sous l’effet de plusieurs facteurs.

l Analyse du type de produit

En 2018, le CdTe a produit de l’électricité à un prix nettement inférieur ou égal à celui des sources d’énergie fossiles conventionnelles. En raison de ses coûts d'exploitation et de production non toxiques et bon marché, la catégorie du tellurure de cadmium domine actuellement le marché mondial des cellules solaires à couches minces, et on s'attend à ce qu'elle continue de croître au rythme le plus rapide tout au long de la période de prévision.

l Analyse de l'utilisateur final

Le développement et la recherche croissants visant à réduire les coûts d'installation et de maintenance pourraient stimuler les besoins des consommateurs. En 2022, le marché des services publics a dominé le marché mondial des cellules solaires à couches minces, et il est prévu qu'il continuera à se développer au rythme le plus rapide tout au long de la période de prévision. . Étant donné que les panneaux solaires à couches minces se dégradent beaucoup plus lentement, ils offrent une alternative potentielle aux panneaux solaires c-Si traditionnels.

l Analyse régionale

L’Asie-Pacifique était la plus grande région au monde pour les cellules solaires à couches minces en 2022, et on s’attend à ce qu’elle continue de croître au rythme le plus élevé, en raison de nombreux facteurs. Par exemple, en tant que plus grand marché solaire photovoltaïque au monde, la Chine augmentera son objectif en matière d’énergie renouvelable de 20 % à 35 % d’ici 2030. Et les installations solaires photovoltaïques à grande échelle en Chine utilisent principalement la technologie des couches minces. En outre, le Japon a également déclaré son intention de n’utiliser que l’énergie durable à l’avenir.

8 Éléments à prendre en compte pour les panneaux solaires à couches minces de haute qualité

Lors de l’achat de panneaux solaires, non seulement le prix et la qualité doivent être pris en compte, mais d’autres facteurs doivent également être pris en compte.

lEfficacité: Un rendement élevé peut convertir une plus grande partie de l’énergie solaire en électricité. Généralement, une concentration plus élevée de porteurs de charge peut augmenter l’efficacité de la cellule solaire en augmentant la conductivité. L'ajout d'un concentrateur à une cellule solaire contribue non seulement à augmenter l'efficacité, mais peut également réduire l'espace, les matériaux et les coûts nécessaires à la production de la cellule.

l Durabilité et durée de vie: Certains modules à couches minces présentent également des problèmes de dégradation dans diverses conditions. Parmi tous les matériaux, le CdTe présente la meilleure résistance à la dégradation des performances avec la température. Et contrairement à d'autres matériaux à couches minces, le CdTe a tendance à être assez résistant aux conditions environnementales telles que la température et l'humidité, mais les panneaux flexibles en CdTe peuvent subir une dégradation de leurs performances sous des contraintes ou des déformations appliquées.

l Poids: Il fait référence à la densité du panneau solaire à couche mince. En général, les panneaux solaires à couches minces sont légers, vous ne devriez donc pas avoir peur d'appliquer un poids mort sur votre toit. Néanmoins, le poids doit toujours être pris en compte lors de la sélection afin de garantir qu’il ne sera pas surchargé lors de l’installation.

l Température: Cela signifie la température minimale et maximale à laquelle le panneau solaire à couche mince peut fonctionner. En général, tous les meilleurs panneaux solaires à couches minces sont considérés comme ayant une température minimale de -40°C et une température maximale de 80°C.